电气石是一种常见且稳定的富硼硅酸盐矿物,广泛分布于花岗岩相关的岩浆—热液型矿床中(
Henry et al,1996;
Slack et al,2011)。电气石的化学成分和晶体结构较为复杂,一般化学通式为XY
3Z
6[T
6O
18][BO
3]
3V
3W,其中X=Na,Ca,K,空位;Y=Mg,Fe,Mn,Al,Li;Z=Al,Mg,Fe,Cr,V;W=O,OH,F,Cl(
Rosenberg et al,1979;
Henry et al,1996;
Jiang,1998;
Hawthorne et al,1999)。电气石具有稳定的物理化学性质和极低的元素扩散速率,一旦结晶,便能够稳定存在于极宽范围的温度(150~900 ℃)和压力(6~6 000 MPa)条件下,并且在大多数地表条件下电气石与流体不发生反应(
Henry et al,2011;Van Hinsberg et al,2011),因此能够完整地记录岩石形成条件和源区特征等信息。研究表明,W-Sn多金属和稀有金属有关的花岗岩矿床,多与黑电气石密切相关;而块状硫化物矿床中多为镁电气石—黑电气石固溶体系列(
毛景文等,1993)。电气石具有复杂多变的化学成分、晶体结构以及宽泛的硼同位素值,常被用来示踪流体来源、岩浆热液演化和成矿过程等(
Yang et al,2015a,
2015b;
Zhao et al,2019;
Hu et al,2020;
Codeço et al,2021;
Zhao et al,2021;
Guo et al,2022;
Liu et al,2023;
Zhao et al,2024;
Zheng et al,2024)。
戴加祺等(2018)对相山铀矿床中电气石的化学成分和硼同位素组成进行研究,查明了相山火山侵入杂岩体的来源,提出电气石形成于高氧逸度环境中,这有利于U元素的迁移与富集,为区域成岩成矿过程的物质来源及演化提供了指示。近年来,随着原位微区技术的发展,电气石的化学组分和硼同位素组成常作为一种重要的指标,用于区分不同矿床类型、形成环境以及指导找矿勘查(Van Hinsberg et al,2011;
Guo et al,2021;
Sciuba et al,2021;
Zhao et al,2021;
Beckett-Brown et al,2023a,
2024;
Liu et al,2023;
Yao et al,2024;
Zhao et al,2024)。
Sciuba et al(2021)对18个造山型金矿中电气石的化学组分和硼同位素组成进行了研究,提出高的Sr、V和Ni含量,低的Li、Be、Ga、Sn、Nb、Ta、U和Th含量,能够用来区分造山型金矿有关的电气石与其他矿床类型和地质环境中的电气石。此外,
Beckett-Brown et al(2024)对加拿大地区Casino斑岩铜金钼矿床电气石的形态结构和化学组分进行了细致研究,提出Li、Zn、Ga、Sr、V和Pb等微量元素可用于区分不同的成矿类型,并指导矿产勘查。
在西藏地区,喜马拉雅成矿带淡色花岗岩中发育有大量电气石,一直是研究的重点。前人对该区内电气石的岩相学、地球化学和硼同位素组成开展了系统研究,认为区内电气石多属于岩浆成因,电气石的微量元素变化能够反映结晶分异演化程度,Li、Be、Nb和Ta等稀有金属元素的富集程度能够指示区内成矿潜力(
Zhou et al,2019;
Xie et al,2023a,
2023b)。综合已有研究来看,前人对电气石的研究多集中在花岗岩和伟晶岩相关的矿床中,而对斑岩型矿床中电气石的研究相对较少。
Zheng et al(2024)对冈底斯铜多金属成矿带西段朱诺—北姆朗矿床中新发现的电气石开展了研究,基于多期次电气石的组分变化认为岩浆热液系统中氧化成矿热液与斑岩体之间的水—岩反应是铜沉淀的关键,并提出了闪长质岩浆补给模型,用来解释富矿斑岩系统的形成,这为理解碰撞型斑岩铜矿及电气石的形成提供了重要参考。在最新的野外地质调查中,发现在距离朱诺—北姆朗矿床东南约30 km的达局地区,也发育有大量电气石脉。由于研究区工作程度较低,地质特征和矿床类型尚不明确,为此采集达局电气石样品进行岩相学观察、电子探针和LA-ICP-MS分析,探讨了该区内电气石成因、矿床类型和成矿潜力等问题,以期为区域内下一步找矿勘查提供理论依据。
1 区域地质概况
达局地区位于西藏冈底斯铜多金属成矿带西段朱诺矿集区内,产于南部拉萨地体的火山—岩浆岩中(
图1)。拉萨地体是青藏高原中生代以来岩浆活动最频繁、规模最大且岩浆类型最复杂的一个构造—岩浆岩带(
李廷栋,2002),被狮泉河—纳木错蛇绿混杂岩带(SNMZ)和洛巴堆—米拉山断裂(LMF)划分为北部拉萨地体、中部拉萨地体和南部拉萨地体(
朱弟成等,2012)。冈底斯岩基(
Wen,2007;
Ji et al.,2009,
2012)和林子宗群火山岩在区内分布较广(
Mo et al,2007,
2008;
Lee et al,2012),而少量渐新世—中新世高Sr/Y花岗质侵入体以岩株形式产出(
Chung et al,2003,
2009;
Zheng et al,2012a,
2012b;
孙祥等,2013)。冈底斯斑岩铜成矿带自西向东发育有朱诺、吉如、冲江、厅宫、达布、驱龙和甲玛等斑岩型矿床,成岩成矿时代集中在20~13 Ma(
Hou et al,2009;
Zheng et al,2015)。
达局地区出露地层主要为下白垩统比马组、下白垩—上白垩统昂仁组和楚木龙组、始新统秋乌组以及第四系(
图2)。比马组主要分布于研究区北部,岩性包括凝灰岩、结晶灰岩和层状砂岩等(
杨宗耀等,2019)。下白垩—上白垩统昂仁组和楚木龙组分别出露于研究区西南部和东北部,前者出露面积相对广泛,呈EW向展布,岩性包括粗砂岩、页岩、细粒砂岩和粉砂岩等;后者出露较少,以石英砂岩和粉砂岩等岩性组合为特征(
Song et al,2018)。始新统秋乌组分布于研究区西南部,呈EW向展布,主要岩性为一套含煤碎屑岩(
Zhang et al,2017)。第四系出露较少,多为冲洪积和残坡积物等。
达局地区构造十分发育,多为断裂,按其走向和力学性质可划分为近EW、NE和NW向断裂,其中以近EW向断裂和NE向断裂最为发育(
图2)。近EW向断裂分布于研究区中部和南部,倾角较缓。NE向断裂发育于研究区西部,为一系列高角度正断层(
侯增谦等,2006)。NW向断裂主要分布于研究区西北部和中南部,其断裂面倾角大多为中—陡倾角度。根据断裂的相互切割关系,其生成顺序依次为近EW向→NE向→NW向断裂。伴随复杂的构造演化,区内发育多期岩浆侵入和火山喷发作用,侵入时代包括古新世、始新世和中新世。研究区广泛出露始新世花岗岩,以岩基形式产出,总体呈EW向展布。岩石类型有(黑云)二长花岗岩、含黑云角闪二长花岗岩、钾长花岗岩、黑云花岗闪长岩和花岗(二长)闪长岩等。古新世和中新世花岗岩出露于研究区西北部,多以岩株或岩脉形式产出。火山岩以火山碎屑岩为主,赋存在桑日群和林子宗群中,并以林子宗群火山岩为主体(
付文春等,2014)。
2 样品及分析方法
2.1 样品描述
研究区内电气石脉十分发育,颜色为黑色,产状为9°∠45°,呈SN向延伸,穿插到围岩中,宽度变化范围较大,细处为1~3 cm,最宽处可达1 m[图
3(a)、
3(b)]。区域内主要岩性为二长花岗岩,岩石风化面为土黄色,新鲜面呈灰白色,中细粒花岗结构,块状构造,主要造岩矿物为斜长石(35%~40%)、钾长石(30%~35%)、石英(约20%)、少量黑云母(约5%)和角闪石(约5%)。围岩蚀变较为发育,绢英岩化主要表现为斜长石蚀变为石英和细粒绢云母,褐铁矿化多以石英—褐铁矿脉或裂隙面形式产出,孔雀石化多产于岩石裂隙面[图
3(c)、
3(d)]。本次试验分析样品均采自达局地区出露岩石中,采样坐标为E87°51′55″,N29°26′25″。
通过镜下观察可知,电气石多呈脉状分布。根据不同形态特征[图
4(a)、
4(b)],将电气石划分为扇状(Tur-Ⅰ)、柱状(Tur-Ⅱ)和细粒状(Tur-Ⅲ)3类。扇状电气石呈半自形—自形,颗粒较大,具有黄褐—蓝绿色的多色性,无明显环带,多发育在细粒状电气石脉边部。柱状电气石常呈短柱状分布在脉体中,晶形较好,呈半自形—自形,横截面为三角形或多边形,具有黄—绿色的多色性,部分柱状电气石充填在石英和长石空隙间。细粒状电气石常呈他形粒状分布在脉体中,基本无晶形,具有橙黄—绿色的多色性。围岩中绢云母化表现为长石蚀变为长针状、鳞片状的云母[
图4(c)]。电气石多以脉状形式充填在石英和斜长石等矿物之间[
图4(d)],局部与斜长石发生交代溶蚀作用,致使矿物边界模糊不清,表明电气石形成于晚期岩浆热液流体中。
2.2 分析方法
在中国地质科学院地质研究所电子探针实验室完成了电气石主微量元素测试。测试仪器采用JEOL JXA-8100a型电子探针仪,使用条件:加速电压为15 kV,束流为20 nA,束斑直径为5 μm。主量元素峰值测定时间为10~20 s,背景测定时间为其0.5倍。中国国家标准样品GSB与美国SPI矿物作为标样。所有测试数据均已进行ZAF校正。
原位微量元素测试在中国地质科学院国家地质实验测试中心完成,采用LA-ICP MS分析,LA为美国Coherent公司制造的GeoLasPro193nm准分子型全自动激光剥蚀进样系统,ICPMS为Agilent7900的质谱仪。本测试中,束斑直径为60 μm,频率为5 Hz,能量密度约为5 J/cm
2。用T形接头将剥蚀气溶胶与氦气、氩气混合,以氦气作为运载气体将样品剥蚀颗粒送入质谱仪中。样品数据采集周期为20 s背景信号和50 s样品信号。所选标样和计算方法具体参考
Pearce et al(1997)和
Liu et al(2008)。本次分析测试了41种微量元素,大多数元素检测限低于1×10
-6,少数为2×10
-6~3×10
-6。原始数据的离线处理采用ICPMSDataCal软件完成(
Liu et al,2008)。
3 分析结果
3.1 主量元素
达局地区电气石主量元素分析结果见
表1。基于
Henry et al(1996)提出的电气石分子式XY
3Z
6[T
6O
18][BO
3]
3V
3W(X=Na
+,Ca
2+,K
+,空位;Y=Mg
2+,Fe
2+,Mn
2+,Al
3+,Li
+,Fe
3+,Ti
4+;Z=Al
3+,Mg
2+,Fe
3+;T=Si
4+,Al
3+,B
3+;V=OH
-,O
2-;W=OH
-,O
2-,F
-,Cl
-),以31个阴离子(O、OH、F)为基础进行计算,B
2O
3*与H
2O
*含量分别基于B=3和OH+F=4计算获得(
Henry et al,1996),结果见
表2。
达局地区不同产状电气石主量元素成分差异不大,SiO
2(含量为35.00%~35.97%,平均值为35.37%)、Al
2O
3(含量为27.99%~31.47%,平均值为29.70%)、FeO(含量为9.05%~12.70%,平均值为10.50%)、MgO(含量为6.23%~7.55%,平均值为6.77%)和Na
2O(含量为2.14%~2.63%,平均值为2.39%)含量较高且变化不大,TiO
2(含量为0.09%~1.17%,平均值为0.35%)、CaO(含量为0.08%~0.39%,平均值为0.20%)和K
2O(含量为0.02%~0.12%,平均值为0.05%)含量低且变化大,部分样品MnO和F含量低于检出限。根据
Henry et al(2011)提出的X位置上阳离子占位情况,达局地区不同产状电气石均落入碱族电气石区域范围内[
图5(a)]。在
Henry et al(1985)提出的Al-Fe-Mg三元图解中,3种产状的电气石样品基本落入区域6(富Fe
3+石英—电气石岩、钙硅酸盐和变质沉积岩),仅Tur-Ⅱ电气石中一个样品点落入区域5(不含Al饱和矿物的变质泥质岩和变质砂屑岩),表明3种产状的电气石均形成于更氧化的环境中[
图5(b)]。在Mg/(Mg+Fe)-
X□/(
X□+Na+K)和Mg/(Mg+Fe)-Na/(Na+Ca)分类图解中,Tur-Ⅰ电气石基本投在镁电气石区域,仅一个投入黑电气石区域;Tur-Ⅱ和Tur-Ⅲ电气石均投入黑电气石和镁电气石区域,表明所有测试的电气石均属于黑电气石—镁电气石类质同象系列[图
5(c)、
5(d)]。综上所述,达局地区电气石属碱性电气石中的黑电气石—镁电气石固溶体系列。在Al-Fe和Mg-Fe图解中,达局地区电气石替代方式为Fe
3+Al
-1[图
6(a)、
6(b)];而在Mg-Ca和Na-
X□图解中,达局地区电气石表现出(NaMg)(
X□)
-1的替代方式[图
6(c)、
6(d)]。
3.2 微量元素
达局地区电气石微量元素测试分析结果见
表3。达局电气石大多数微量元素具有较大的变化范围,如:Ni(21.2×10
-6~187.0×10
-6)、Pb(12.8×10
-6~144.0×10
-6)、Sc(2.9×10
-6~124.0×10
-6)、Sr(589×10
-6~1 943×10
-6)、Th(0.1×10
-6~165.0×10
-6)、Zn(106×10
-6~8 244×10
-6)和V(154×10
-6~371.0×10
-6)等元素具有较高的含量和较大的含量变化范围。Tur-Ⅰ电气石的∑REE含量约为37.7×10
-6,其中LREE含量约为32.4×10
-6,HREE含量约为5.3×10
-6,LREE/HREE比值约为6.11。Tur-Ⅱ电气石的∑REE含量约为80.3×10
-6,其中LREE含量约为59.3×10
-6,HREE含量约为21×10
-6,LREE/HREE比值约为2.82。Tur-Ⅲ电气石的∑REE含量约为110×10
-6,其中LREE含量约为69.4×10
-6,HREE含量约为41.2×10
-6,LREE/HREE比值约为1.68。综上所述,达局电气石具有富集轻稀土、亏损重稀土的特征;由Tur-Ⅰ电气石、Tur-Ⅱ电气石至Tur-Ⅲ电气石,总的稀土含量呈增加的趋势,其中轻、重稀土含量均有所增加,而LREE/HREE比值呈下降趋势。在达局电气石的箱线图(
图7)中,Ba、Be、Co、Cu、Ga、Rb和Sc等元素含量较低且相对集中,V和Zn元素含量较高且变化相对较大,总体元素变化范围相对稳定,表明3类电气石源区和形成环境相同。
4 讨论
4.1 电气石成因
电气石通常以副矿物的形式出现在不同矿床类型和地质环境中(
Henry et al,1985;
Slack et al,2011)。根据成因类型,可将电气石划分为岩浆成因、热液成因和变质成因3类。
London et al(1995)研究表明,岩浆成因的电气石以高的Fe/Mg比值和Al阳离子数(Y位上),且成分均匀无分带性为特征;而热液成因的电气石恰恰相反,一般具有高Mg含量、低或无Al阳离子数(Y位上),通常情况下能够观察到环带结构。达局电气石虽无明显的环带结构,但其高Mg含量(1.18~1.74 apfu)和Y位上基本无Al阳离子(0~0.03 apfu)的特征,与热液成因电气石十分类似。结合电气石的野外产状和手标本特征(
图3),电气石多以脉体形式赋存于岩体中,周围岩石多发育绢英岩化和褐铁矿化等蚀变,表明晚期热液流体侵入到围岩中形成电气石。此外,在Sr-V和Nb-V电气石成因判别图解(
Sciuba et al,2021)中,达局地区电气石样品基本落入热液成因区域内,与朱诺地区热液成因电气石特征相似,而异于吉隆地区和错那地区岩浆成因电气石,表明达局地区电气石属于热液成因[图
8(a)、
8(b)]。
4.2 电气石类型
研究表明,电气石的主量和微量元素特征能够用来区分不同矿床类型(
Hong et al,2017;
Sciuba et al,2021;
Beckett-Brown et al,2024)。
Sciuba et al(2021)研究认为造山型金矿床中的电气石相比于其他矿床类型和地质环境中的电气石,具有高的Sr、V和Ni含量,低的Li、Be、Ga、Sn、Nb、Ta、U和Th含量。达局电气石具有低的Li含量(<13×10
-6,大多数样品低于检出限)和高的Sr含量(>589×10
-6)、Cu含量(除一个样品含量为2.2×10
-6,其余样品含量均大于5×10
-6),与造山型金矿中的电气石成分明显不同(
Sciuba et al,2021),但与
Beckett-Brown et al(2024)统计分析得出的斑岩型铜矿床中电气石的特征相似,即斑岩型铜矿床中的电气石以相对亏损Li元素(<15×10
-6),具有相对高的Sr含量(>100×10
-6)、Zr含量(>2.5×10
-6)、Cu含量(>5×10
-6)和低的Zn含量(<45×10
-6)为特征,且大多数情况下具有高的As含量(>14×10
-6)。此外,
Beckett-Brown et al(2023a)对全球7个典型的斑岩型(Cu,±Au,±Mo)矿床中电气石化学组分进行研究,提出了有效区分与斑岩型矿床相关的电气石的Sr/Pb-Zn/Cu-Ga三角图解(
图9)。达局电气石具有易变的Zn/Cu比值(0.47~89.88),高的Sr/Pb比值(5.78~78.23)和Ga含量(36.5×10
-6~70.0×10
-6),与朱诺斑岩型铜矿中电气石具有相似的特征,而不同于吉隆地区和错那地区岩浆电气石。在Sr/Pb-Zn/Cu-Ga三角投图(
图9)中,达局地区电气石和朱诺地区电气石绝大部分落入斑岩型铜矿电气石区域内;而吉隆地区和错那地区电气石全部落入花岗岩和伟晶岩电气石区域内。这一结果暗示着达局地区电气石可能与斑岩型铜矿床有关。由
图9可知,相比于朱诺地区,达局地区具有更高的Sr/Pb比值,可能是由于达局地区的热液流体经历了较长距离的运移,与周围围岩发生反应所致,反映出达局地区的成矿距离相比朱诺地区较远。
4.3 找矿指示意义
Beckett-Brown et al(2023b)对矿化的斑岩型系统中的电气石进行研究,发现成矿斑岩系统中的电气石结构和主量元素具有以下特点:(1)手标本多呈黑色,为半自形—自形晶体,SEM-EDS分析结果表明其大多数为镁电气石,极少数为黑电气石;(2)BSE图像表明其具有同心圆状和扇形分带;(3)斑岩型矿床中电气石表现出一致的Mg值,大多数电气石具有从富氧的镁电气石向富硼的镁电气石转变的趋势(O-P趋势),反映了恒定Mg值条件下Fe
3+Al
-1替换机制。达局地区虽然没有明显的分带特征,但其一致的Mg值(1.18~1.74 apfu)与弱的富氧的镁电气石向富硼的镁电气石转变的趋势,以及Fe
3+Al
-1替换机制,与矿化的斑岩型系统中的电气石表现一致(
图10)。现将达局地区电气石与朱诺斑岩型铜矿中电气石、喜马拉雅花岗岩和伟晶岩中电气石进行对比,判断其同源性。在球粒陨石稀土元素配分模式图[
图11(a)]中,达局地区和朱诺地区电气石均表现出富集轻、重稀土而亏损中稀土的下凹型配分模式;而吉隆地区和错那地区电气石表现出富集轻稀土、亏损重稀土的右倾模式。在微量元素蛛网图[
图11(b)]中,达局地区电气石具有富集Rb、Th和Sr等元素,亏损Ba、Ta和Zr等元素的特征,与朱诺地区电气石相似,而不同于吉隆地区和错那地区电气石。上述结果表明,达局地区电气石和朱诺地区电气石可能具有相似的来源和地质过程,而不同于吉隆地区和错那地区电气石。此外,在Ta-Ba协变图[
图12(a)]中,达局地区电气石和朱诺地区电气石均表现出较高的Ba含量,Ta与Ba呈正相关趋势,而吉隆地区电气石和错那地区电气石Ba含量较低且无明显变化趋势。在Sr/Y-Rb协变图[
图12(b)]中,达局地区和朱诺地区电气石具有较高Rb含量和Sr/Y比值,Sr/Y与Rb呈负相关趋势,吉隆地区和错那地区电气石Rb含量和Sr/Y比值较低,Sr/Y与Rb也呈负相关趋势。在Nb-Ni协变图[
图12(c)]中,达局地区和朱诺地区电气石具有高且相对恒定的Ni含量,沿水平方向变化,而吉隆地区和错那地区电气石Ni含量较低,Nb与Ni呈负相关趋势。在Co-Ni协变图[
图12(d)]中,达局地区和朱诺地区电气石特征与Nb-Ni协变图中相似,而吉隆地区和错那地区电气石中Co与Ni呈正相关变化趋势。上述结果表明,达局地区电气石微量元素特征与朱诺斑岩型铜矿床中电气石特征相似,而有别于喜马拉雅淡色花岗岩与伟晶岩中锂铍矿化有关的电气石。此外,
Baksheev et al(2012)认为电气石的Fe、Mg、Li、F含量以及Fe
3+/Fe
tot比值等参数能作为区分斑岩型矿床的指标。达局地区电气石具有中等且相近的的Fe值(1.26~1.73 apfu)和Mg值(1.18~1.74 apfu),且Fe与Mg之间呈负相关关系(
图13),表明达局地区电气石具有富Fe向富Mg转变的趋势。这一转变可能是由于Fe
3+/Fe
tot=0,处于相对还原的环境,Fe元素以黄铁矿的形式沉淀导致的,这与野外观察到的石英—黄铁矿脉是一致的[
图3(d)]。其次,达局地区电气石低的Li含量(<12.2×10
-6)与
Baksheev et al(2012)提出的斑岩型矿床中Li含量低于30×10
-6这一观点相吻合。而且,达局地区电气石具有较高的F含量(0~0.22%)和H
2O含量(3.45%~3.58%),与朱诺地区电气石相似(
Zheng et al,2024),指示其结晶于富含挥发分的流体。另外,达局地区Cu含量变化范围较大(2.2×10
-6~1 770.0×10
-6),表明达局地区具有富集成矿的潜力,建议后续开展进一步的查证工作。
5 结论
(1)达局地区电气石主要以脉体形式赋存于二长花岗岩中,根据不同的形态特征可划分为3类,分别是Tur-Ⅰ扇状电气石、Tur-Ⅱ柱状电气石和Tur-Ⅲ细粒状电气石。
(2)达局地区不同产状电气石主微量元素特征相似,属于碱基亚类镁电气石和黑电气石,替代机制为Fe3+Al-1和(NaMg)(X□Al)-1。
(3)达局地区电气石高的Na含量和Fe3+Al-1等价替换方式,表明区域内高氧逸度、高盐度的环境有利于金属离子迁移、富集成矿。达局地区电气石低的Zn/Cu比值,高的Sr/Pb比值和Ga含量,以及与朱诺地区电气石相似的微量元素特征,暗示着其具有形成斑岩型铜矿床的潜力。此外,电气石中Ni、Rb和Ba等元素相对富集的特点,也可能指示其形成于斑岩型矿床中。
中央引导地方科技发展资金项目“西藏冈底斯斑岩铜矿成矿规律及资源潜力评价”(XZ202401YD0006)
深地国家科技重大专项(课题)“冈底斯中段斑岩型铜多金属矿床高效勘查技术方法集成及找矿靶区优选评价”(2024ZD1003203)